关键词： 煤自燃   孔隙结构   自燃特性   同步热分析   低场核磁共振  

摘要： 本文为探究不同变质程度的煤样的孔隙结构以及煤样的自燃特性的变化规律,共选取了内蒙古呼伦贝尔市灵泉煤矿褐煤、宁夏灵武市梅花井煤矿不粘煤、宁夏灵武市任家庄煤矿气煤、山西省霍州市辛置煤矿1/3焦煤、辽宁省沈阳市红阳二矿瘦煤以及宁夏石嘴山市白芨沟煤矿无烟煤6种煤样,采用低温液氮吸附实验以及低场核磁共振实验,研究不同变质程度煤的孔隙结构基本特征、孔比表面积、孔容积的变化规律,以及不同尺度的孔隙结构的比表面积与孔容积的比重随变质程度的加深的变化规律,且引入Frenkel-Halsey-Hill分形维数计算模型分析煤样的孔隙结构的复杂程度;其次通过TG-DSC同步热分析实验得出煤样的TG曲线与DSC曲线,并对曲线进行分析得出自燃特征温度点,进而划分煤自燃阶段探究煤样的失重特性、放热特性,并借助Coats-Redfren动力学方程,得出煤自燃过程中各阶段的活化能随着变质程度加深的变化规律;基于上述煤样的孔隙结构以及煤自燃特性的探究结果,研究孔隙结构的变化对煤样的自燃难易程度的影响。结果表明:煤样均含有一定的较差连通性的孔隙结构,且随变质程度的加深,连通性差的孔隙结构的比重逐渐增大,其中气煤中存在较多的“墨水瓶”型孔隙,焦煤与瘦煤中存在大量的半封闭型孔,而无烟煤中存在大量的狭窄缝隙孔;且煤样孔隙结构的总比表面积以及总孔容积随变质程度加深而逐渐降低,其中微孔的比表面积比重较大、小孔次之而大孔的比重最低;大孔的孔容积比重略大于小孔以及微孔范围内的孔容积比重。且随变质程度加深,煤样中微孔的比表面积以及孔容积的比重逐渐增加,小孔、大孔的相对比重逐渐减小,与煤样低场核磁共振实验结果相同,且煤样孔隙结构的分形维数计算结果表明,煤样孔隙结构呈现出分形特征,且整体分形维数随变质程度加深而降低。低变质程度煤（<4.5nm）的孔隙结构的分形维数要小于（>4.5nm）的孔隙结构的分形维数;而焦煤、瘦煤以及无烟煤高变质程度煤（<4.5nm）的孔隙结构的分形维数要大于（>4.5nm）的孔隙结构的分形维数,由此可知,煤样随着变质程度的逐渐加深,煤样的孔隙结构逐渐趋向于单一,微孔逐渐成为主导。在热重实验结果中,煤样的T临界温度呈现出随变质程度的加深而整体升高的趋势;而煤样中的T干裂温度以及T活性温度则随变质程度的逐渐加深而呈现减小的趋势;T燃烧温度、T燃尽温度则随变质程度的加深而逐渐升高,且蒸发脱附阶段中煤的失重量随着变质程度的加深而减小;增重阶段中煤样的增重量随着变质程度的加深整体呈现增加的趋势;对于煤样的放热特性而言,蒸发脱附阶段的放热量为最小,增重阶段的放热量居中而燃烧阶段的放热量为最大,并且随着变质程度的加深,煤样各阶段的放热量均呈现为逐渐增大的趋势;对于煤样各自燃阶段的活化能而言,蒸发脱附阶段的活化能为最小,增重阶段的活化能居中,而燃烧阶段的活化能为最大,同时煤样的各阶段的活化能均随变质程度的加深而逐渐增大,说明煤样变质程度越高,其越难以自燃。煤样的孔隙结构的总比表面积、总孔容积以及孔隙结构的复杂度均与煤样自燃反应的活化能呈现负相关性,并且孔比表面积对煤自燃过程中的增重阶段的影响较大,而煤样的孔容积的变化以及孔隙结构的复杂度对煤样自燃过程中的蒸发脱附阶段影响较大。

关键词： 塔里木盆地   肖尔布拉克组   白云岩储层   孔隙结构定量表征   弹渗属性   岩石物理建模  

摘要： 随着中浅层油气资源勘探开发程度的不断提高,向深层-超深层进军是我国未来油气勘探的重要趋势,同时也是解决中国能源短缺的关键。塔里木盆地下寒武统肖尔布拉克组白云岩储层是盐下深层-超深层勘探重要区域,然而由于具有年代古老、埋藏深和经历多期成岩叠加改造的特点,加之沉积环境、成岩作用、温度压力等方面的影响,导致储层发育多尺度孔隙结构、非均质性极强。因此基于多种技术手段对肖尔布拉克组白云岩储层发育多尺度、多种类型孔隙结构进行定量表征和弹渗属性研究不仅有助于塔里木盆地深层超深层油气勘探,而且对全球深层超深层油气勘探同样具有重要的指示意义。研究取得的主要成果和认识如下:1、基于薄片鉴定、扫描电镜研究发现研究区发育13种微相类型,8种孔隙类型,其中残余颗粒细晶白云岩和细晶白云岩具有较好的物性特征,溶蚀孔洞是主要的储集空间。2、针对塔里木盆地肖尔布拉克组白云岩储层发育多尺度孔隙结构的特征,采用多种互补的实验技术手段对纳米级到厘米级孔隙进行了定量表征。(1)通过铸体薄片提取的孔隙结构参数建立了渗透率预测模型,预测模型相关系数为0.78。高压压汞结果显示,井下样品孔隙结构发育与野外样品存在明显的差异,井下样品明显存在两个高峰分别为纳米级以及微米级的孔隙,野外样品微米级孔隙是主要的储集空间;(2)白云岩孔隙结构在代表性单元体与自相似区间存在明显的尺度效应。通过医用CT扫描确定了毫米-微米孔洞型白云岩储层代表性单元体大小并且基于多种孔隙结构参数建立了代表性单元体预测模型。基于微米CT扫描确定了发育微米级孔隙代表性单元体大小,研究发现孔隙尺度、属性不同,样品的代表性单元体存在很大差异;(3)基于分形理论与孔隙直径累计分布曲线确定了样品的自相似区间;(4)以代表性单元体分析与分形理论确定自相似区间为桥梁,建立医用CT数据和高压压汞数据融合新方法,获取了孔洞型白云岩储层全尺度孔径分布及样品的总孔隙度。3、基于微米CT扫描重构的三维数字岩心,通过对其数值模拟计算得到的弹渗参数是储层定量描述的关键。(1)通过有限元方法数值模拟获取了弹性参数,纵横波模拟结果与孔隙结构参数分析发现孔隙纵横比与孔隙度是影响纵横波速度的主要因素。(2)使用孔隙网络模型法和格子玻尔兹曼法对数字岩心渗透进行了模拟,基于格子玻尔兹曼渗透率模拟结果更能反映真实样品的渗流特征。4、岩石物理建模建立了储层微观物性特征和宏观弹性性质之间的桥梁,建立的岩石物理理论模型可以作为获取孔隙结构参数的有效工具。通过多尺度孔隙结构参数的确定以及实验数据的验证,建立了基于临界孔隙多尺度岩石物理模型。为了模拟深层储层弹性参数的变化,在临界孔隙多尺度岩石物理模型模型基础上,添加了压力,建立了基于临界孔隙多尺度高压岩石物理模型。通过建立的岩石物理理论模型反演得到了孔隙结构参数,对进一步分析评价储层有着十分重要的作用。

关键词： 格子Boltzmann方法   脱盐电池   纤维状电极   双离子电化学去离子  

摘要： 世界对淡水资源日益增长的需求与淡水资源日渐减少的矛盾引发了严重的淡水资源短缺问题,但也为海水淡化技术的发展提供了契机。得益于低能耗、可再生、结构简单等特点,电容去离子技术(CDI)已成为替代传统海水淡化技术的有前途的技术。为了提高脱盐性能,有学者提出了基于化学吸附的新型脱盐电池,即利用插层机理将离子存储在电极材料的原子平面间的晶体位点,从而获得了更高的脱盐能力,并且利用电池电极还能将能量回收,降低能耗。脱盐电池的材料选择很大程度上决定了脱盐性能,而电极形态也在一定程度上影响着脱盐性能,本文针对纤维状电极,通过改进的纤维介质随机重构方法进行纤维状电极的随机重构,生成二维以及三维纤维状电极,并基于Lattice Boltzmann Method(LBM)在孔隙尺度对电极内部渗流、传质以及电化学反应进行研究,从孔隙尺度观察初始浓度、入口流速以及电流密度等运行参数,电极孔隙率、纤维直径等结构参数对脱盐过程的影响,主要的工作如下所示:(1)通过对比不同的多孔介质重构方法,选择了适用于纤维状介质的随机重构方法,围绕脱盐电池纤维状电极提出了改进的二维、三维纤维介质随机重构方法,利用改进的纤维状电极重构方法生成了简化的二维纤维状电极以及三维纤维状电极模型。(2)基于简化的二维纤维状电极,选定计算域,基于格子玻尔兹曼方法建立孔隙尺度格子玻尔兹曼模型以研究电极内部孔隙以及纤维内部发生的物理及化学反应,考察了不同结构参数(孔隙率、纤维直径等)对孔隙内部渗流、钠离子浓度分布情况的影响,好差不同运行参数(入口流速,初始浓度)对钠离子浓度分布情况以及脱盐性能的影响。(3)基于三维纤维状电极,建立三维格子玻尔兹曼模型,从孔隙尺度研究脱盐过程中发生的物理以及化学反应,研究了电极内部钠离子浓度分布情况,包括孔隙内部以及纤维内部的钠离子浓度分布情况。并考察了不同电流密度以及孔隙率,纤维直径等因素对孔隙内部和纤维内部钠离子浓度分布情况以及对脱盐性能的影响。通过上述二维以及三维工作得到了脱盐电池纤维状电极内部脱盐机理。

关键词： 大孔隙树脂混合料   集料形态特征   骨架结构   力学行为   离散元方法  

摘要： 车辙目前仍是路面常见的病害之一。传统沥青混合料路面的高温稳定性较差,在路面温度较高且车流量较大的时候,车辙最容易产生和发展,特别是在桥头搭板处,交叉路口以及上下坡处等地方。车辙不仅会影响行车舒适度和交通安全性,还会形成坑槽导致路面积水,从而导致沥青路面整体水损坏。和沥青相比,环氧树脂强度较高,高温稳定性较好。使用环氧树脂作为结合料的大孔隙树脂混合料能够形成稳定的骨架结构,具有良好的抗车辙能力。同时,大孔隙树脂混合料内部充斥着大量的孔隙,又可以提供良好的排水性能和降噪性能。因此,大孔隙树脂混合料在未来的城市化进程及道路建设中具有广阔的利用前景。 大孔隙树脂混合料是由集料、环氧树脂砂浆和孔隙组成的多相复合材料,其力学特性与演化行为不仅与级配特征、集料和环氧树脂结合料的宏观性质相关,也在较大程度上取决于各相材料的细观形态特征与空间分布等细观因素,宏观上能观察到的破坏现象往往是其细观结构损伤演化的结果。然而,传统试验手段难以捕捉到大孔隙树脂混合料细观结构的细微变化,也难以揭示细观结构对大孔隙树脂混合料力学特性与演化行为的影响机制。因此,本文基于集料形态信息数据库,重构了集料骨架结构模型和大孔隙树脂混合料数字试件,通过宏观力学响应及细观结构分析,对大孔隙树脂混合料的力学特性及演化行为进行了系统性的研究。 首先,基于激光扫描成像技术及数字图像处理技术,统计分析了四种集料的二维形态特征,并建立起包含集料颗粒形态特征的集料形态信息数据库,通过Auto CAD软件和PFC2D软件实现了集料颗粒的数值化重构,为后续从细观尺度开展相关研究提供了基础。 其次,通过室内试验和数值仿真试验研究了骨架结构的力学特性及孔隙分布,同时在PFC2D软件中进行了最优主骨架的可视化设计,分析了不同级配骨架结构之间承载能力的差异,进而确定影响骨架结构性能的主要因素。 然后,对大孔隙树脂混合料配合比和环氧树脂用量进行设计,并基于逆向体视学原理,将三维质量级配转换为二维面积级配,在PFC2D软件中生成由集料、环氧树脂砂浆和孔隙三相组成的大孔隙树脂混合料数字试件。 接着,基于大孔隙树脂混合料动态模量室内试验结果,分析温度和加载频率对大孔隙树脂混合料动态模量和相位角的影响。基于时温等效原理,利用Sigmoidal模型和WLF公式拟合得到不同温度下的大孔隙树脂混合料动态模量预估模型,并借助PFC2D软件从细观尺度研究了大孔隙树脂混合料的粘弹性力学特性与演化行为。 最后,通过室内试验和数值仿真试验研究了大孔隙树脂混合料的抗弯特性、抗拉特性和抗剪特性,并通过应力场和温度场耦合分析,探讨了大孔隙树脂混合料在荷载和温度共同作用下的力学特性及演化行为。 根据上述试验结果,本文主要得出以下结论:粒径大于4.75mm的集料是构成骨架结构主骨架的主要成分,它们之间的嵌挤作用可以显著提升骨架结构的承载能力。粒径范围在4.75mm～2.36mm之间的集料是构成骨架结构主骨架的次要成分,它们可以填充主骨架的孔隙,约束粗集料的位移,从而使骨架结构更为稳定,即使骨架结构被破坏也仍能保持一定的承载能力。粒径小于2.36mm的集料虽然也可以填充主骨架的孔隙,但是一旦掺量过多,反而会将粗集料挤开,干涉它们之间的嵌挤作用,进而降低骨架结构的承载能力。通过对离散元仿真试验进行细观断裂力学特性与演化行为分析,发现集料主要负责承担和传递压应力,环氧树脂砂浆主要负责承担和传递拉应力。集料与环氧树脂砂浆的界面最容易发生接触失效,从而导致微裂缝沿着集料与环氧树脂砂浆的界面进行开展。在低温下,大孔隙树脂混合料内部起主要作用的是集料,在高温下起主要作用的是环氧树脂砂浆。当处在低温低频或高温高频状态下时,大孔隙树脂混合料内部更容易产生微裂缝。

关键词： 反渗透膜   渗透性能   格子Boltzmann方法   纳米尺度效应   特征因子  

摘要： 目前反渗透海水淡化技术发展迅速,装机容量和处理能力持续增加,然而成本问题一直制约着海水淡化行业的发展。反渗透膜是海水淡化系统的核心部件,围绕膜渗透特性的研究,大部分集中在制膜工艺和膜改性等领域,如何降低跨膜反渗透形成的浓差极化及提高产水量仍然是一个重要课题。另外,水在反渗透膜内的流动受到纳米尺度效应的影响,膜的渗透特性不能完全用其微观结构来解释。因此,建立多尺度跨膜反渗透特性的计算及分析方法、研究反渗透(Reverse Osmosis,RO)膜内的动力学特性、掌握产水量、脱盐率及推动压差之间的关联对工业海水淡化发展具有重要意义。格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作为一种基于统计物理学的介观数值方法,因其天然的并行性、边界条件易处理等优势广泛应用于承压水流流动模拟。为此,本文通过实验和数值模拟对反渗透膜的渗透特性及其影响因素做了系统研究,主要内容如下:首先,通过跨膜渗流实验平台对反渗透膜的渗透性能进行了测试,研究了不同驱动压力下纯水和盐水的跨膜反渗透特性、离子强度对反渗透水通量及脱盐性的影响以及盐离子种类跨膜反渗透的差异性。研究发现:(1)反渗透膜的渗透率不因压力而改变,但因盐溶液浓度和种类而异,这主要是因为浓差极化层产生的对流扩散过程的阻力不同,当盐度从0升至35时,透水性损失高达86%;(2)与水通量不同的是,截留率几乎不受浓差极化的影响,基本维持在97%,这主要与反渗透膜致密的分离层以及扫描电镜表征下膜表面的峰-谷结构有关;(3)增加磁力搅拌能削弱浓差极化层,从而在保持高截留率的同时提高跨膜反渗透的水通量,盐度为35时水通量约提升7.2%。然后,构建了单层反渗透膜的物理模型,并对通道流动的数值方法进行了验证,基于格子Boltzmann方法数值地研究了纳米尺度效应对反渗透膜渗透性的影响,对比分析了水在不同亲疏水材料反渗透膜内的流动差异。结果表明:(1)流固接触角是影响反渗透膜渗透性能的重要因素,孔隙度为0.436和0.594的膜结构,接触角120°相较于30°水流平均速度分别增加了3.57倍和2.75倍;(2)膜渗透率随接触角增加呈指数增长,在极疏水的情况下,相比不考虑纳米尺度效应时其水通量提高了5倍,纳米尺度效应对渗透率的贡献占比高达96%;(3)纳米尺度效应随孔径的增大而减弱,疏水时膜内大孔隙和小孔隙的相对流动能力更加接近,这也是为什么传统哈根-泊肃叶方程不能用于描述反渗透膜水流规律的原因。最后,基于真实的梯度膜结构构建了梯度反渗透膜的物理模型,结合前一章节的纳米孔尺度流动特征分析了反渗透膜的渗透性与其微结构的关联。结果发现:(1)梯度膜在一定条件下能够提高膜的水通量,从结构上来讲是因为多孔亚层更大的孔隙度或者更小的比表面,多孔亚层比表面从0.24nm减小到0.11nm,疏水膜渗透率上升了2.22m D,亲水膜渗透率上升了1.79m D,多孔亚层孔隙度从0.425增加到0.612,亲水膜渗透率增加了0.7 m D,疏水膜渗透率增加了1.12 m D;(2)可以在不牺牲水通量的前提下通过提高多孔亚层的孔隙度来增加膜的厚度,这将使得厚膜拥有良好渗透性同时表现出更好的机械强度;(3)膜的结构可以用一个特征因子γ来表征,γ越小,膜的渗透率越大,γ从2.14减小到1.51时,亲水膜和疏水膜的渗透率分别增加了22%和31%,膜的渗透率对膜骨架的疏水性更加敏感。本文从实验和模拟分别揭示了影响跨膜反渗透流动的外因和造成反渗透水力特性差异性的内因,提出了提高跨膜反渗透水通量的方法,为开发高性能的反渗透膜提供了新的结构---渗透性见解,有助于降低工业淡化水成本。

关键词： 质子交换膜燃料电池   多孔介质   格子玻尔兹曼方法   多相反应流   相变传热  

摘要： 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)被认为是极具潜力的绿色能源转换系统。然而,PEMFC在低温环境下的适应性难题是制约其规模化应用的瓶颈之一。PEMFC内微纳多孔介质作为实现能质运移、转化、存储的核心场所,其内部多相反应流与相变传热机理是影响燃料电池在低温下稳定可靠运行的关键内因。由于PEMFC内微纳尺度多孔介质有着更复杂的微纳结构,其多孔骨架内孔隙流动和固液相变机理的研究尚不充分,亟需构建涉及电化学反应-多相流动-相变传热-组分输运等多物理场耦合的数值计算模型,以揭示各个因素相互作用的影响规律。本文主要按照燃料电池实际低温启动过程中多孔介质内的冻结、融化和多相反应流动的顺序进行研究。在本文中,首先揭示了温度诱导微纳多孔介质内的相变传热过程,探明了相界面前沿的非均匀性产生和演化机理,提出了冻融率与傅里叶数关联式;而后基于相变传热模型,考虑电化学、相变传热和多相流动等多场耦合作用,揭示了低温环境下微纳多孔介质内多相反应流动机理。为最终突破低温环境中燃料电池适应性差、可靠性差和性能衰减等技术瓶颈奠定理论基础,同时促进了多孔介质内多相流动与相变传热理论的创新与发展。 具体的研究内容与结论如下: (1)建立了气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)多孔骨架内部液态水冻结模型,基于液滴撞击和比例放大GDL冻结实验验证,探明了相界面前沿的非均匀性产生和演化机理,探究了初始温度、冷却温度和孔隙率对多孔骨架内部液态水冻结的影响,提出了冻结率关于傅里叶数关联式。结果表明,在冻结过程中,低温一方面由外向内的传导,另一方面从碳纤维向液体内传导,这两种作用下使液态水温度下降。在冻结初期,由于碳纤维的强化传热作用,使得碳纤维附近的液态水先发生冻结。在冻结后期,由于低温导致了液态水部分区域产生了温差,热对流作用使得部分液态水温度保持平稳,初始温度的提高延缓了GDL内部液态水的冻结。随着冷却温度的增大,冻结所需要的时间迅速增大。孔隙率的增大导致GDL中心的相对温度下降。随着纤维直径的增大,冻结率整体呈现上升的趋势。当冷却温度为233 K时,GDL内部液态水全部冻结所需要的傅里叶数最小,其值为0.0175。 (2)建立了催化层(Catalytic Layer,CL)气态水凝华孔尺度模型,揭示了内部结霜行为,分析了初始温度、释放气态水粒子数、碳载体直径、碳载体体积分数等因素对气态水凝华过程的影响。结果表明,在催化层凝华过程中,气态水粒子很容易在碳载体分布稀疏的区域聚集形成霜晶。随着低温逐渐传导至催化层,冰晶逐渐向催化层内的通道移动,霜层逐渐变厚。当冷却温度为233 K时,霜层突破催化层所需的傅里叶数最小,为0.96。随着释放粒子数量的增加,厚度不会明显增加,但霜层宽度会增加,使得平面部分的霜层更加均匀。当释放粒子数为100时,霜层突破催化层所需的傅里叶数最小,为1.08。碳载体直径与最终到达冷表面的粒子数量有关,当碳载体体积分数为0.25时,霜层突破催化层所需傅里叶数最小,为0.96。 (3)建立了GDL融冰孔尺度模型,明晰内部固-液两相界面演化的时空尺度过程,探究了初始温度、加热温度和孔隙率对GDL融冰率的影响,提出了融冰率和傅里叶数关联式。结果表明,在GDL融冰过程中的热传导过程初期,由于碳纤维的热扩散率较大,碳纤维的温度显著高于固态冰的温度。当冰完全融化后,由于温差导致液态水内部产生热对流,进一步导致液态水的温度升高。随着初始温度的升高,GDL内热传导速度逐步加大,高温区域面积逐步增加,GDL中心温度逐步升高。当初始温度为253 K、傅里叶数为0.1时,融化率最大,为0.8。加热温度的提高会加快固液界面的移动。同时,加热温度的提高也会显著加剧固液界面的不均匀度。当加热温度为363 K、傅里叶数为0.1时,融化率最大,为0.63。孔隙率的增加使得固液界面的移动速度呈现上升的趋势。随着纤维直径的增大,固液界面表面变得越来越平滑。当孔隙率为0.8、傅里叶数为0.1时,融化率最大,为0.61。仿真数据与所提表达式吻合较好。 (4)建立了低温环境下GDL内多相反应流孔隙尺度模型,揭示了低温环境下气体扩散层内多相反应流动特性,研究了微孔层入口孔隙参数、多孔骨架参数和初始冰滴的影响。结果表明,在气体扩散层多相反应流动过程中,当液态水从底部逐渐渗透到GDL时,底部的氧浓度迅速下降,导致电化学性能下降。随着氧气逐渐渗透GDL底部,由于电化学反应产热,底部温度逐渐升高。进入GDL的水会逐渐向GDL通道内运动,并逐渐填充孔隙区域。这是由微孔层孔隙中向上的速度和毛细压力共同造成的结果。增加孔隙宽度会导致GDL中液态水体积的增加,从而使得更多的液态水积聚在GDL内部,导致电化学性能下降

关键词： 数字岩心   CT图像   融合重建   高、低分辨率  

摘要： 数字岩心技术可以根据图像对岩心内部微观结构进行建模,从而对岩心的有关特性进行定量分析。在获取岩心图像的过程中,图像的视域和分辨率之间存在矛盾。通常低分辨率图像能够提供大视域的岩心结构,但缺乏孔隙细节特征;高分辨率图像能够提供局部的细节信息,但视域较小而无法包含微观结构的整体信息。将不同分辨率和尺度的岩心图像进行融合重建,获得含有多尺度孔隙信息的岩心三维结构是解决上述问题的一个有效方案。因此,本文围绕不同分辨率岩心三维图像的融合重建展开研究,具体的研究内容如下: (1)基于双模式集的岩心三维图像融合重建算法。针对高、低分辨率岩心三维图像的融合重建情况,首先提出建立孔隙三维形态信息模式集和多尺度孔隙位置信息模式集,保证孔隙重建过程中形态特征和位置分布的准确;建立模式集时,根据线性路径函数设计一种确定三维模板最优尺寸的策略;在储存三维模式时,设计编码策略。融合重建阶段,提出边缘面检测重建策略,对小尺度孔隙进行重建;成功将高分结构中局部的小尺度孔隙信息扩展到整体大尺度三维结构中。通过不同样本实验,表明提出的融合重建算法的有效性。 (2)结合欠分辨率区域的岩心三维图像融合重建算法。针对高、低分结构分辨率倍数差异较大时,导致的多尺度孔隙位置信息模式集中信息量变少的问题,提出使用欠分辨率区域对孔隙位置进行约束。首先设计典型目标区域分割方法在低分辨率图像中确定欠分辨率区域。在融合重建阶段,针对高分结构中孔隙尺寸分布不均匀时重建精度较低的问题,设计一种孔隙尺寸分布控制策略,对重建孔隙的尺寸进行约束。通过开展实验,表明所提算法的有效性。 (3)基于生成对抗网络的岩心三维图像融合重建算法。针对现有融合重建算法在需要生成大量模型时效率较低的问题,利用深度学习技术对算法的效率进行提升。基于生成对抗网络的思想搭建了3D-patch GAN模型,实现不同尺度岩心三维图像的融合重建。在模型中设计双流输入生成器和多区域鉴别器,确保网络能够学习到局部小尺度孔隙信息;设计大孔约束损失函数,确保重建结果中大孔结构的稳定性。基于分区域重建的思想提出块重建-拼接策略,实现重建尺寸的提升。实验表明所提算法的有效性,同时在重建时间上具有优势。

关键词： 压裂改造   页岩储层   四连通域   分叉裂纹   气体吸附   多尺度运输   有限元方法   产量预测和评估  

摘要： 随着常规石油天然气资源的日渐枯竭,以页岩气为代表的清洁能源开采利用规模逐渐攀升,以满足人类不断提高的资源需求。其中,页岩储层中的多尺度裂缝-基质传质理论突破是页岩气勘探开发,特别是产能评价的核心要点。事实上,页岩气藏的开发是一个复杂的多尺度多物理耦合过程,由于页岩基质是一个包含大量微裂缝的纳米多孔结构,只有对页岩基质-裂缝体系的相互作用形式有深入的认知,才能进一步发展和提出适用于描述页岩气在页岩基质中运移和开采行为的力学理论模型。随着水力压裂和水平钻井等先进技术在页岩气藏开发中的应用,在页岩的压裂过程中,水力裂缝一旦形成,它就会从基质扩展并与微裂缝连接,并逐渐延伸至生产井,最终形成页岩气输运的完整通道,因此如何理解页岩中裂缝-基质多尺度输运行为不仅是关乎非常规油气资源开采的科学问题,也是一个关键的力学问题。页岩气开采过程中的传质行为被称为四联通域传输,是一个横跨纳米尺度(有机质)、微观尺度(非有机质)、介观尺度(微裂缝)和宏观/储层尺度(水力裂缝和生产井)的跨尺度运移过程。该运移过程涉及一系列的关键科学问题亟待解决,包括跨尺度的气体转移、传输、基质收缩和最终产出预测等。如何描述页岩气在储层不同尺度孔隙中的运移,并表征页岩气运移导致的页岩地层变形,是页岩气藏高效开采的先决条件。本文综合考虑了气体的储存方式、储层的多域性(有机质、无机质、微裂缝、水力裂缝和生产井)、气体运移方式等重要因素,建立了数值模型并对页岩气产量进行了预测。本文采用基于有限元方法求解描述页岩气运输的偏微分方程,同时也提出了一种长短时记忆(LSTM)网络来提高计算效率的方法,以实现对页岩气最终产量的快速预测。以下是本文工作的主要贡献。1.系统揭示了气体在页岩有机质中的贮存和吸附机理。对于页岩气在有机质孔隙中的储存,采用Langmuir等温线(单层)和Brunauer-Emmett-Telle等温线(多层)描述了气体在有机质层中的吸附,并在此基础上,推导了新的过量吸附方程和绝对吸附方程,定量表征了以往研究中忽略的溶解气体的贡献。本文得到的气体吸附模型与实验结果吻合较好。模型表明随着压力的增加,吸附气含量急剧增加,而后在一个过渡阶段轻微减少,这个阶段之后,吸附气体的含量不再受压力增大的影响。在一定压力条件下,过量吸附和绝对吸附对孔隙中气体的含量起着至关重要的作用,但绝对吸附比过量吸附产生更多的气体。气体总吸附量远大于单纯吸附量或溶解气含量,说明溶解气体在储气研究中至关重要,其贡献不可忽略。此外,压力的变化决定了溶解气向吸附气和自由气的转变。在采出过程中,采出井周边地区的吸附气压力低、浓度低,而远离采出井地区的吸附气压力高、浓度高。本研究表明,压力、层数和体积是影响气体储存量的主要因素。2.建立双连通域模型对气体的基质-裂纹运移行为进行了深入分析。针对地下储层具有多条纵横交错的随机天然裂缝的特性,提出了六组基质-裂缝模型(双域),其中两组长裂缝在其中部区域正交连通,其余四条短裂缝则以偏移或相交的方式在其端部连通。此外,注入井和采出井分别位于模型左右边界的底部和顶部。由于考虑的压力和温度均低于超临界条件,裂缝中气体的储存行为采用Langmuir等温吸附模型来描述。与随机裂缝不同,纵横交错裂缝提高了基质中气体通过裂缝迁移到采出井的速度,从而提高了气体的整体交换和输送效率。同时,裂缝和基质性质直接影响页岩气的采收率,按照影响能力可排序为裂缝长度、基质孔隙度、基质渗透率、吸附体积、天然裂缝数量,而裂缝间距的增大则会显著降低页岩气的采收率。该模型的研究,体现了工程力学在微观和宏观尺度上分析输运的优势。3.发展双连通域模型来描述页岩气的多尺度传输行为。通过将基质分为有机质和无机质,将裂纹分为自然裂纹和激发裂纹,双连通域模型被扩展为多尺度的四连通域模型,用于研究基质变形和页岩气的储存、交换、输运和回收行为。在页岩气开采过程中,激发裂纹中的自由气首先逸出,降低了采出井和激发裂纹周围的压力,而后,自然裂纹中的高压气体运移到压力较低的激发裂纹中,最终汇聚到采出井。当自然裂纹中的压力降低时,无机质中的高压气体开始参与传输。最后,当非有机质中的压力降低到临界压力以下时,有机质中的高压气体逐渐开始扩散。实际页岩储层的各个域是相互关联的,气体可以在域间交换,本文建立的数值模型可以很好的描述这一特性。研究结果表明将储层分为双连通域和四连通域的结果有很大的差异,表明建立四连通域模型是必要的。总的来说,基质和裂缝性质,特别是裂缝的几何形状以及无机质和有机质的孔隙度,对页岩气的采收率有积极影响,而孔隙体积和变形性质则对采收率产生了消极影响。这种多域建模方法对于揭示从纳米尺度到宏观尺度的气体交换机理至关重要,也为现场施工参数的优化提供了指导。4.对页岩裂缝-基质结构的四连通域模型进行了修正,使其包含未激发

关键词： 碳纤维复合材料   孔隙缺陷   多尺度模型   人工神经网络  

摘要： 碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers,CFRP）凭借其高比刚度、高比强度、优异的耐久性和设计上的多变性,在航空航天等领域得到了广泛应用。由于CFRP材料制造过程中难以避免引入孔隙缺陷,开发和拓展针对孔隙的复合材料力学预测模型,这对于降低复合材料试验成本及提高复合材料力学性能数据获取的准确性均有重要价值。为了进一步研究孔隙缺陷对CFRP层合板力学性能的影响,并提高复合材料设计的效率,本文针对多角度铺层的CFRP材料,使用X光计算机断层扫描技术还原孔隙真实形貌及分布特征;基于孔隙真实特征数据,建立了对应的顺序多尺度模型（Sequential Multiscale Modeling）,结合试验与仿真手段研究了孔隙形貌及分布特征对材料宏观拉伸力学性能及损伤失效形式的影响;应用反向传播神经网络（Back Propagation Neural Network,BPNN）降低仿真的计算成本,实现预测模型的快速响应。综合本文的主要研究内容,取得的研究成果如下:（1）制备了单向（[90]8）、正交([90/0/90/0]2S)和准各向同性([45/90/-45/0]2S)三种不同铺层角度的CFRP层合板,分别制作试样进行拉伸试验并获得了拉伸力学响应结果;通过X光计算机断层扫描试验检测层合板孔隙缺陷,针对层间孔隙和层中孔隙,提出了特征参数定量地描述三维孔隙模型,高度还原了孔隙的形貌及宏细观分布特征,为本文提出的含孔隙CFRP材料拉伸力学性能的多尺度预测模型建模提供数据支撑。（2）基于孔隙表征试验获得的孔隙形貌及分布特征,提出了一种含孔隙CFRP材料的宏细观多尺度预测模型来预测其拉伸力学性能及损伤失效形式。细观尺度上,提出了含孔隙的细观RVE重构算法,真实地还原了孔隙在细观尺度上的形貌特征。通过对含孔隙细观RVE模型进行有限元仿真求解来获得材料等效力学性能,结合孔隙的宏观分布特征,将通过均质化手段得到的材料等效弹性性能及强度性能输入到宏观尺度的层合板模型进行宏观力学有限元仿真求解,从而得到CFRP材料的宏观拉伸力学响应结果,对比力学试验结果基本一致。提出的含孔隙的CFRP材料的多尺度预测模型在细观尺度上真实地还原了孔隙形貌及分布特征,相比未考虑孔隙缺陷的多尺度模型,能够实现对CFRP材料拉伸力学性能更为准确的预测。（3）提出了一种含孔隙的双层菱形RVE模型来捕捉多铺层角度层合板层间区域的损伤机制,同时获得其等效力学性能。通过在双层多角度铺层RVE模型中引入随机分布的纤维和孔隙,来模拟孔隙在多角度铺层层间区域的分布。菱形RVE模型可代表任意角度铺层CFRP层合板的层间区域,使得本文提出的多尺度预测模型能够应用于各种铺层角度及铺层厚度的CFRP层合板,拓展了预测模型的应用范围与实用价值。（4）利用BPNN加速多尺度预测模型的结果输出,实现对含不同孔隙率、孔隙形貌及分布的CFRP材料拉伸力学响应曲线快速、准确的预测,大幅降低了多尺度模型的计算成本,节省材料性能试验大量人力物力的损耗,提高了复合材料设计的效率。

关键词： 混相   乙醇-癸烷体系   微流控   Micro-PIV   分子动力学模拟  

摘要： 相较于用水开采岩心中的原油,研究者发现混相驱替的方法能够大大提高采收率,其中以作为驱替相被学者广泛关注,从孔隙尺度角度结合微观可视化芯片利用无水乙醇和正癸烷针对混相驱替模型,建立了相应的可视化系统实验表征混相驱过程的运移规律和流动机理,利用分子动力学模拟方法,从分子模拟角度研究了超临界二氧化碳（sc CO2）驱替癸烷过程的混相流动运移规律。具体研究内容如下:（1）利用均质可视化芯片模拟岩层多孔介质,分别用无水乙醇和正癸烷溶液作为驱替相和被驱替相,设置了水平、垂直向上和垂直向下三种驱替方向,研究了混相驱替的混相带形成及演化过程,分析了注入流量对混相驱替稳定性的影响规律,研究发现水平驱替在注入流量为90μl/min时采收率最高,垂直向上驱替过程中受到重力作用在120μl/min注入流量下采收率最高。（2）利用micro-PIV的粒子成像测速系统,将示踪粒子溶解在乙醇中研究部分混相驱替的运移规律,发现0.5μL/min、0.8μL/min、2μL/min、5μL/min和8μL/min的五种注入流量下,驱替前缘较为平稳,在视场观测范围内产生较小的海恩斯跳跃,低流速0.5μL/min、0.8μL/min跳跃较大,虽然在低流速下局部发生了较大的速度跨越,但整体来看,部分混相驱替相较非混相驱替更加平稳。（3）利用分子动力学方法模拟混相驱替过程,设置了单孔隙、平行孔隙和连通孔隙模型来模拟岩心多孔介质,研究发现超临界状态下CO2分子和癸烷分子与二氧化硅表面的亲和力不同,CO2分子更容易形成-OH,使其更容易吸附在二氧化硅表面,因此癸烷分子从二氧化硅表面剥离,在驱动力的作用下被带出孔隙,提高了采收率,越复杂的孔隙对癸烷分子的吸附性越大,癸烷分子越不容易被带出孔隙。